Un glacier se jette dans un fjord sur la côte sud-ouest du Groenland. Une nouvelle étude du MIT présente un modèle qui cartographie l'écoulement des glaciers en fonction des défauts microscopiques de la glace, offrant une vue nuancée de la dynamique des glaciers et améliorant les prévisions d'élévation du niveau de la mer en détaillant les variations régionales de la sensibilité de la glace au stress. Crédit : Meghana Ranganathan
MIT des chercheurs ont développé un nouveau modèle pour prédire l'écoulement des glaciers en étudiant les défauts microscopiques de la glace, révélant des variations significatives dans la façon dont la glace réagit aux stress environnementaux.
Ce modèle permet de mieux prédire le taux d'élévation du niveau de la mer en capturant les comportements nuancés des calottes glaciaires, en particulier en Antarctique, améliorant ainsi les prévisions sur les changements du niveau de la mer induits par le climat.
Débit glaciaire et élévation du niveau de la mer
À mesure qu’ils fondent et vêlent dans la mer, les glaciers et les calottes glaciaires font monter les niveaux d’eau à un rythme sans précédent. Les scientifiques ont besoin de mieux comprendre la vitesse à laquelle les glaciers fondent et ce qui influence leur écoulement pour prédire et se préparer à l’augmentation future du niveau de la mer.
Une étude menée par des scientifiques du MIT offre une nouvelle image de l'écoulement des glaciers, basée sur la déformation microscopique de la glace. Les résultats montrent que l'écoulement d'un glacier dépend fortement de la façon dont les défauts microscopiques se déplacent à travers la glace.
Les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient estimer l'écoulement d'un glacier en fonction du fait que la glace soit sujette à des défauts microscopiques d'un type ou d'un autre. Ils ont utilisé cette relation entre la déformation à micro et macro-échelle pour développer un nouveau modèle d’écoulement des glaciers. Avec le nouveau modèle, ils ont cartographié l’écoulement des glaces à différents endroits de la calotte glaciaire de l’Antarctique.
Un écoulement glaciaire à travers les vallées près de la plate-forme de glace de Ross, en Antarctique. Crédit : Meghana Ranganathan
Remettre en question les idées reçues sur l’écoulement des glaces
Contrairement à ce que l’on pourrait croire, les chercheurs ont découvert que la calotte glaciaire n’est pas un monolithe, mais qu’elle varie selon l’endroit et la manière dont elle s’écoule en réponse aux contraintes liées au réchauffement climatique. L’étude « modifie considérablement les conditions climatiques dans lesquelles les calottes glaciaires marines peuvent devenir instables et entraîner une élévation rapide du niveau de la mer », écrivent les chercheurs dans leur article.
« Cette étude montre vraiment l'effet des processus à micro-échelle sur le comportement à grande échelle », déclare Meghana Ranganathan PhD '22, qui a dirigé l'étude en tant qu'étudiante diplômée au Département des sciences de la Terre, de l'atmosphère et des planètes (EAPS) du MIT et est maintenant postdoctorante en Géorgie. Technologie. « Ces mécanismes se produisent à l'échelle des molécules d'eau et peuvent finalement affecter la stabilité de la calotte glaciaire de l'Antarctique occidental. »
« D'une manière générale, les glaciers s'accélèrent, et il existe de nombreuses variantes à ce sujet », ajoute Brent Minchew, co-auteur et professeur associé à l'EAPS. « Il s’agit de la première étude qui passe du laboratoire aux calottes glaciaires et commence à évaluer la stabilité de la glace dans l’environnement naturel. Cela contribuera à terme à notre compréhension de la probabilité d’une élévation catastrophique du niveau de la mer. »
L'étude de Ranganathan et Minchew a été publiée récemment dans le Actes de l'Académie nationale des sciences.
Mouvement des glaciers et implications au niveau de la mer
L'écoulement glaciaire décrit le mouvement de la glace depuis le sommet d'un glacier, ou le centre d'une calotte glaciaire, jusqu'aux bords, où la glace se brise et fond dans l'océan — un processus normalement lent qui contribue, au fil du temps, à élever le niveau de la glace. niveau moyen de la mer dans le monde.
Ces dernières années, les océans ont augmenté à un rythme sans précédent, en raison du réchauffement climatique et de la fonte accélérée des glaciers et des calottes glaciaires. Si la fonte des glaces polaires est connue pour être un contributeur majeur à l’élévation du niveau de la mer, elle constitue également la plus grande incertitude lorsqu’il s’agit de faire des prévisions.
Identifier les processus microphysiques de l'écoulement des glaces
« C’est en partie un problème d’échelle », explique Ranganathan. « De nombreux mécanismes fondamentaux qui provoquent l’écoulement de la glace se produisent à une échelle très petite, invisible à l’œil nu. Nous voulions déterminer précisément quels sont ces processus microphysiques qui régissent l’écoulement de la glace, qui n’ont pas été représentés dans les modèles de changement du niveau de la mer. »
La nouvelle étude de l'équipe s'appuie sur des expériences antérieures menées au début des années 2000 par des géologues de l'Université du Minnesota, qui ont étudié la façon dont de petits morceaux de glace se déforment lorsqu'ils sont physiquement sollicités et comprimés. Leurs travaux ont révélé deux mécanismes microscopiques par lesquels la glace peut s'écouler : le « fluage par dislocation », où des fissures de la taille d'une molécule migrent à travers la glace, et le « glissement des limites de grains », où des cristaux de glace individuels glissent les uns contre les autres, provoquant le déplacement de la limite entre eux à travers la glace.
Les géologues ont découvert que la sensibilité de la glace au stress, ou sa probabilité de couler, dépend du mécanisme dominant parmi les deux. Plus précisément, la glace est plus sensible aux contraintes lorsque des défauts microscopiques se produisent via le fluage des dislocations plutôt que le glissement des joints de grains.
Ranganathan et Minchew ont réalisé que ces découvertes au niveau microscopique pourraient redéfinir la façon dont la glace s'écoule à des échelles glaciaires beaucoup plus grandes.
« Les modèles actuels d'élévation du niveau de la mer supposent une valeur unique pour la sensibilité de la glace aux contraintes et maintiennent cette valeur constante sur l'ensemble de la calotte glaciaire », explique Ranganathan. « Ce que ces expériences ont montré, c'est qu'en réalité, il existe une grande variabilité dans la sensibilité de la glace, en fonction du mécanisme en jeu. »
Un nouveau modèle pour prédire l'écoulement des glaciers
Pour leur nouvelle étude, l'équipe du MIT s'est inspirée des expériences précédentes et a développé un modèle pour estimer la sensibilité d'une région glacée au stress, qui est directement liée à la probabilité que la glace coule. Le modèle prend en compte des informations telles que la température ambiante, la taille moyenne des cristaux de glace et la masse estimée de glace dans la région, et calcule l'ampleur de la déformation de la glace par fluage des dislocations par rapport au glissement des joints de grains. Selon lequel des deux mécanismes est dominant, le modèle estime ensuite la sensibilité de la région au stress.
Les scientifiques ont intégré au modèle des observations réelles provenant de divers endroits de la calotte glaciaire de l'Antarctique, où d'autres avaient déjà enregistré des données telles que la hauteur locale de la glace, la taille des cristaux de glace et la température ambiante. Sur la base des estimations du modèle, l'équipe a généré une carte de la sensibilité de la glace au stress sur l'ensemble de la calotte glaciaire de l'Antarctique. En comparant cette carte aux mesures satellite et sur le terrain prises sur la calotte glaciaire au fil du temps, ils ont observé une correspondance étroite, ce qui suggère que le modèle pourrait être utilisé pour prédire avec précision l'évolution des glaciers et des calottes glaciaires à l'avenir.
Prévisions futures et impacts du changement climatique
« Alors que le changement climatique commence à amincir les glaciers, cela pourrait affecter la sensibilité de la glace au stress », explique Ranganathan. « Les instabilités auxquelles nous nous attendons en Antarctique pourraient être très différentes, et nous pouvons désormais capturer ces différences grâce à ce modèle. »
